裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

蔡應(yīng)強(qiáng), 肖龍海

(1. 集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021;2. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021;3. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

蔡應(yīng)強(qiáng)1,2,3, 肖龍海1,2,3

(1. 集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021;2. 華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院， 福建 廈門 361021;3. 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

為了查找裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件應(yīng)力薄弱部位，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高疲勞壽命，采用電液伺服技術(shù)和可編程邏輯控制器(PLC)控制技術(shù)設(shè)計(jì)一套專門測試結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)采用整機(jī)正面加側(cè)面的加載方案，由觸摸屏和PLC控制器遠(yuǎn)程控制2個(gè)伺服液壓缸動(dòng)作以模擬結(jié)構(gòu)件受載，可實(shí)現(xiàn)24 h無人值守試驗(yàn)，適用于各種型號裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：該試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高. 關(guān)鍵詞： 疲勞試驗(yàn)機(jī)； 裝載機(jī)； 結(jié)構(gòu)件； 電液伺服； 遠(yuǎn)程控制

裝載機(jī)工況復(fù)雜，車架和動(dòng)臂等結(jié)構(gòu)件在作業(yè)過程中承受著動(dòng)力裝置傳遞的力矩載荷、工作阻力載荷、惡劣路況的沖擊載荷等，在應(yīng)力薄弱部位易發(fā)生疲勞破壞[1].目前,在設(shè)計(jì)階段，一般以最危險(xiǎn)載荷為設(shè)計(jì)載荷，以有限單元法尋找最大應(yīng)力區(qū)與最大變形區(qū)，以便在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增強(qiáng)薄弱部位[2].而結(jié)構(gòu)件的疲勞失效在設(shè)計(jì)階段難以處理，只有通過大量市場反饋信息改進(jìn)[3]，成本高、周期長、數(shù)據(jù)滯后，不利于新機(jī)型的推廣應(yīng)用.考慮到裝載機(jī)作業(yè)載荷以低頻、大振幅、重載荷為主，本文設(shè)計(jì)電液驅(qū)動(dòng)型疲勞試驗(yàn)機(jī)，通過模擬其典型工況下的負(fù)載，獲取試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)和疲勞失效數(shù)據(jù)，為發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù).

1 加載方案和參數(shù)的確定

1.1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)方案

輪式裝載機(jī)的工作循環(huán)包括插入、鏟裝、舉升、卸載4個(gè)作業(yè)過程，需要依次克服插入阻力、轉(zhuǎn)斗阻力矩、掘起阻力和卸載阻力等[4-5].上述作業(yè)阻力直接作用于鏟斗，并通過鉸鏈傳遞到動(dòng)臂、車架等結(jié)構(gòu)件.由于路況復(fù)雜、隨機(jī)作業(yè)載荷波動(dòng)劇烈等原因，車架、動(dòng)臂等結(jié)構(gòu)件容易發(fā)生疲勞斷裂.王繼新等[6]對正載、左偏載、右偏載、滿載轉(zhuǎn)彎、一后輪離地、滿載制動(dòng)、滿載運(yùn)輸、滿載動(dòng)臂平伸、滿載舉升最高位置等17種工況做了應(yīng)力對比分析.結(jié)果表明:各工況下結(jié)構(gòu)件應(yīng)力較大的位置基本相同，其中,應(yīng)力較大的工況是正載鏟掘作業(yè)、偏載鏟掘作業(yè)及有側(cè)向力鏟掘的作業(yè)工況.

以此為出發(fā)點(diǎn)模擬受載，考慮到臺架試驗(yàn)的可行性，將裝載機(jī)整車(去除輪胎和駕駛室)連同底盤用帶鉸接的支撐鋼板安裝于T型槽平臺上(圖1)，并使整車機(jī)構(gòu)可以繞支點(diǎn)1和2旋轉(zhuǎn).采用電液伺服加載的方式，設(shè)計(jì)一套液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，控制液壓缸3以一定的方式加載于鏟斗正面，液壓缸4(圖中未畫出)加載于鏟斗側(cè)面，以模擬鏟斗的水平和側(cè)向受載.

圖1 疲勞試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of fatigue testing machine

1.2 加載力分析

圖2 ZL50裝載機(jī)鏟裝工況的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.2 Kinematic sketch of mechanism of ZL50 loader in shovelling working condition

以某ZL50型裝載機(jī)為例，其工作機(jī)構(gòu)是由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂、拉桿、機(jī)架、動(dòng)臂液壓缸缸套、動(dòng)臂液壓缸活塞桿、鏟斗液壓缸缸套和鏟斗液壓缸活塞桿等構(gòu)件組成的空間機(jī)構(gòu)，且左右對稱，兩側(cè)鏟斗液壓缸、動(dòng)臂液壓缸、拉桿、搖臂液壓缸的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性完全一致，可簡化為平面機(jī)構(gòu)[7-8].

為確定加載力的大小和方向，繪制平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,如圖2所示.圖2中：Fs為拉桿的拉力，N；Fx為水平反作用阻力，N；Fy為垂直反作用阻力，N；Fbu為搖臂液壓缸拉力，N；Fbo為動(dòng)臂液壓缸拉力，N；L1,L2,L3為Fs,Fx,Fy到G點(diǎn)的力臂；L4,L5為Fs,Fbu到D點(diǎn)的力臂；L6,L7,L8,L9為Fy,Fx,Fbu,Fbo到A點(diǎn)的力臂；G為裝載機(jī)凈質(zhì)量，kg.

根據(jù)裝載機(jī)動(dòng)臂與鏟斗在G點(diǎn)、D點(diǎn)、A點(diǎn)的力矩平衡，可得裝載機(jī)垂直反作用阻力Fy，即

(1)

式(1)中:d為動(dòng)臂液壓缸通孔直徑；P為動(dòng)臂液壓缸兩腔壓力差.

由式(1)可得裝載機(jī)水平反作用阻力Fx與垂直反作用阻力Fy的關(guān)系式,即

(2)

表1 工作阻力計(jì)算參數(shù)

表2 裝載機(jī)最低期待使用壽命

1.3 加載頻次

參考國外裝載機(jī)最低期望使用壽命數(shù)據(jù)[1]，各斗容量裝載機(jī)最低期望壽命如表2所示.以ZL50型輪式裝載機(jī)為例，其斗容量為3 m3，其期望使用壽命為8 000 h，則疲勞壽命試驗(yàn)中載荷總加載次數(shù)N為

(3)

式(3)中:T為期望使用壽命，取8 000h；t為單個(gè)鏟裝循環(huán)用時(shí)，視作業(yè)形式不同通常在30～50s之間，取40s.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在實(shí)裝作業(yè)中，平均每5次鏟裝循環(huán)發(fā)生1次偏載，其中,偏載同時(shí)承受側(cè)載約占1/4[6].因此,正載情況加載57.6萬次，偏載情況加載10.8萬次，偏載同時(shí)承受側(cè)載情況加載3.6萬次.

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)主要為加載試驗(yàn)提供動(dòng)力，根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)和加載試驗(yàn)所需達(dá)到的性能，設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)，如圖3所示.圖3中：M1，M2為變頻電機(jī)；M3，M4為電機(jī)；C1～C8為手動(dòng)球閥；XJ1～XJ4為行程接近開關(guān)；YV1～YV11為電磁閥線圈.

圖3 疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.3 Hydraulic system schematic diagram of fatigue testing machine

疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù),如表3所示，可實(shí)現(xiàn)泵組空載啟動(dòng)、兩級調(diào)壓、手動(dòng)流量調(diào)節(jié)、循環(huán)過濾、多點(diǎn)測壓、失壓監(jiān)測等功能.為確保試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)24 h無人值守正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對變量柱塞泵、電液控制閥、電磁換向閥及壓力傳感器都采用冗余設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)可根據(jù)傳感器、繼電器、行程接近開關(guān)的反饋數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)工作狀況，如檢測到故障，可根據(jù)預(yù)設(shè)方案自動(dòng)切換備用泵組和閥組工作.

表3 液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，選定正面加載缸最大行程300 mm，內(nèi)徑160 mm，活塞桿直徑90 mm；側(cè)面加載缸最大行程200 mm，內(nèi)徑125 mm，活塞桿直徑70 mm.加載泵采用A7V55型變量柱塞泵，公稱排量55 mL·r-1.在額定壓力16 MPa下，最大正面加載力可達(dá)321.5 kN，側(cè)面加載力可達(dá)196.3 kN，通過調(diào)整系統(tǒng)壓力、流量和泵的排量,可滿足裝載機(jī)各種結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)需要.

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)按預(yù)定動(dòng)作對被試結(jié)構(gòu)件反復(fù)加載/卸載預(yù)定次數(shù)，同時(shí)監(jiān)測試驗(yàn)過程中的各種信號，進(jìn)行故障自動(dòng)診斷及故障處理，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行及試驗(yàn)的順利進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程獨(dú)立調(diào)試和試驗(yàn).本地控制采用 MCC控制柜實(shí)現(xiàn)，可完成本地/遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)換、液壓泵啟/停、加載/卸荷、急停、異常報(bào)警等，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備的功能測試，為遠(yuǎn)程自動(dòng)控制做準(zhǔn)備.

遠(yuǎn)程控制采用觸摸屏+PLC控制器的上下位機(jī)結(jié)構(gòu).觸摸屏提供人機(jī)交互，完成試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測和顯示、報(bào)警信息顯示及操作指令下達(dá)等功能；PLC完成系統(tǒng)邏輯控制，實(shí)時(shí)采集液壓系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)、進(jìn)行自動(dòng)實(shí)驗(yàn)、故障診斷、故障處理及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄.本地控制和遠(yuǎn)程控制均可通過對各電磁閥的控制獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和試驗(yàn).根據(jù)要求，各工況下的電磁閥線圈通電規(guī)則,如表4所示.表4中：YV3/YV4和YV5/YV6，YV7/YV8和YV9/YV10形成互鎖，同一時(shí)刻只有一個(gè)通電.在調(diào)試和試驗(yàn)過程中，均應(yīng)遵循表4的規(guī)則.

表4 各工況下線圈通電規(guī)則表

圖4 遠(yuǎn)程操控臺Fig.4 Long-distance manipulation platform

遠(yuǎn)程操縱臺包括觸摸屏、操作按鈕、開關(guān)、指示燈等，工作界面如圖4所示.采用西門子Smart1000型觸摸屏，具有高分辨率寬屏顯示、人機(jī)界面友好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性價(jià)比高等特點(diǎn)[10]，其開發(fā)工具為WinCC flexible.通過觸摸屏設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)后，可操作觸摸屏上的虛擬開關(guān)，也可通過操縱臺上的開關(guān)按鈕進(jìn)行試驗(yàn).采用西門子S7-226CN型PLC控制器(含24路DI和16路DO，繼電器輸出)，并擴(kuò)展了8路數(shù)字量輸出模塊EM222CN(繼電器型)和4路模擬量輸入模塊EM231CN.控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖5所示.觸摸屏HMI軟件功能模塊，如圖6所示.

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 圖6 觸摸屏HMI功能模塊圖Fig.5 Hardware structural drawing of control system Fig.6 HMI function module chart for touch screen

觸摸屏的初始工作界面(圖4左側(cè))，包括手動(dòng)調(diào)試、自動(dòng)實(shí)驗(yàn)和報(bào)警信息模塊.手動(dòng)調(diào)試模塊，用于進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)各元件的手動(dòng)控制，以確定信號傳遞是否正常，元件能否正常工作，為進(jìn)行自動(dòng)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，如圖7所示.自動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K用于進(jìn)行自動(dòng)加載試驗(yàn)，包括參數(shù)設(shè)置、實(shí)驗(yàn)過程、報(bào)警信息、故障恢復(fù)等4個(gè)子模塊，如圖8所示.

故障診斷與處理是系統(tǒng)的重要功能，是保證24 h無人值守自動(dòng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵.故障信號的來源主要包括液位繼電器LJ1～LJ2，電機(jī)熱繼電器FR1～FR3，壓力繼電器PJ1～PJ3，行程接觸開關(guān)XJ1～XJ4等數(shù)字量信號和壓力傳感器、溫度傳感器等模擬量信號.故障診斷參數(shù)包括主備機(jī)組的選擇、溫度閥值、壓力閥值和持續(xù)時(shí)間等.系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行故障診斷，并進(jìn)行機(jī)組切換或停機(jī)等相應(yīng)處理.

圖7 手動(dòng)調(diào)試界面 圖8 參數(shù)設(shè)置界面 Fig.7 Manual debug interface Fig.8 Parameter setting interface

4 加載試驗(yàn)

圖9 加載疲勞試驗(yàn)Fig.9 Load fatigue test

為了驗(yàn)證該疲勞試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，對某ZL50型輪式裝載機(jī)車架-工作機(jī)構(gòu)聯(lián)合體進(jìn)行加速疲勞壽命試驗(yàn).根據(jù)加載力Ft的分析結(jié)果，偏載情況下液壓系統(tǒng)正面加載壓力調(diào)定為6.3 MPa，側(cè)面加載壓力調(diào)定為3.4 MPa，泵排量設(shè)為40 mL·r-1，取加速系數(shù)為5，則加載周期為8 s.若每天24 h連續(xù)等幅加載，完成72萬次加載試驗(yàn)需歷時(shí)66.7 d.鑒于本次試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為了節(jié)省時(shí)間，只進(jìn)行偏載、偏載加側(cè)載的試驗(yàn)，按照每3次偏載進(jìn)行1次偏載加側(cè)載的方式循環(huán)加載，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示.

(a) 裂紋1 (b) 裂紋2圖10 前車架的疲勞裂紋Fig.10 Fatigue crack of front frame

前車架的疲勞裂紋，如圖10所示.試驗(yàn)結(jié)果表明：偏載試驗(yàn)達(dá)到6萬次，偏載加側(cè)載達(dá)到2萬次時(shí)，未發(fā)現(xiàn)前后車架、動(dòng)臂等出現(xiàn)疲勞裂紋；繼續(xù)加載到9萬次和3萬次后，發(fā)現(xiàn)前車架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了兩處裂紋，如圖10圈中所示(為便于觀察，使用了顯影劑觀測).圖10中：裂紋1位于左側(cè)前橋連接板加強(qiáng)肋板頂部焊接處，裂紋2位于左側(cè)翼箱下支撐肋板前端面與內(nèi)側(cè)板焊接處，均處于應(yīng)力集中位置.

繼續(xù)加載至10萬次和3.3萬次時(shí)，動(dòng)臂右外側(cè)耳板焊縫與動(dòng)臂橫梁右下角焊縫出現(xiàn)裂紋；加載至12萬次和4萬次時(shí)，左側(cè)動(dòng)臂板發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔哑茐模囼?yàn)終止，共加載約16萬次，試驗(yàn)過程穩(wěn)定.根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和正載與偏載的發(fā)生概率，參考加速疲勞壽命試驗(yàn)循環(huán)加載次數(shù)與裝載機(jī)使用壽命之間的關(guān)系，對被試結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命進(jìn)行反推，可知被試裝載機(jī)前車架的疲勞壽命為4 400～6 700 h，動(dòng)臂的疲勞壽命為7 400～8 900 h.按照8 000 h期望使用壽命，可知該試驗(yàn)樣機(jī)的前車架結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

需要指出的是，鑒于條件限制，上述結(jié)論是以理論分析和計(jì)算數(shù)據(jù)為加載條件所得出，如能通過外場試驗(yàn)得到裝載機(jī)各工況下的隨機(jī)載荷譜，再編成加載譜輸入到前述控制系統(tǒng)中，通過加載缸施加于試驗(yàn)樣機(jī)，則得到的疲勞失效數(shù)據(jù)更為客觀、可靠.

5 結(jié)束語

以裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件為試驗(yàn)對象，根據(jù)裝載機(jī)作業(yè)工況特點(diǎn)，應(yīng)用電液伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)機(jī).將機(jī)電液一體化技術(shù)相結(jié)合，采用上下位機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制液壓系統(tǒng)進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn);利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)檢測技術(shù)，主動(dòng)監(jiān)測故障并自動(dòng)切換備用泵組和閥組，可實(shí)現(xiàn)24 h無人值守試驗(yàn).系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，可靠性高，可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件在各工況下的隨機(jī)受載，為裝載機(jī)結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

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(責(zé)任編輯： 黃曉楠 英文審校： 崔長彩)

Design of Fatigue Testing Machine for Structure Component of Loader

CAI Yingqiang1,2,3, XIAO Longhai1,2,3

(1. School of Marine Engineering， Jimei University， Xiamen 361021， China；2. College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；3. Fujian Provincial Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering， Xiamen 361021， China)

In this work, electro-hydraulic servo technology and programmable logic controller (PLC) technology were used to design the special fatigue strength test system to find the stress weak region of loader structure components, optimize the structure designing, and improve the fatigue life，The system adopted the test scheme with front and side loading. The touch screen and PLC controller can remotely control the two servo hydraulic cylinder motion to simulate the load of structure components. The test system can run 24 hours unattended for a long time, and meet the requirements of different types of structure components of loaders. The results of experiment show that the fatigue testing machine can run stable and reliably. Keywords： fatigue testing machine； loader； structure component； electro-hydraulic servo； remote control

10.11830/ISSN.1000-5013.201702002

2016-09-21

蔡應(yīng)強(qiáng)(1980-)，男，講師，博士，主要從事電氣控制方面的研究.E-mail:cai0929@126.com.

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016J01248)； 福建省教育廳科技項(xiàng)目(JAT160280)； 福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2014H6020)

TH 871.3

A

1000-5013(2017)02-0141-06